液化天然气储罐仪表设计探讨.pdf

第 4 9卷第 3期 2 O l 3年 6月 石油化工自动化 AUTOM ATI ON I N P ETRO- CHEM I CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 4 9，No ． 3 J u n e ．2 o1 3 液化天然气储 罐仪 表设计探讨 范琳 中国五环 工程有 限公 司 ， 武汉 4 3 0 2 2 3 摘要 结合液化天然气 L N G 储罐的特点， 叙述了 L N G储罐仪表的选型和安装； 重点阐述了温度仪表和液位仪表的设置， 指 出TN度 、 压力 和流量仪表安装 的注意事项 ； 简要描述 了储罐液 位仪表 的基本 原理 ； 讨 论 了用 于保 护 L NG储 罐 安全 的主 要控 制方案和联锁方 案 。该项 目采用罐表 系统 TG S 实现 了 L NG储 量监 测和 翻滚预 测 ； 提 出 了罐 表 系统 的基本 组成 和技 术要求 。 关键词 液化天然气储罐仪表设计罐表系统 中图分类号 T Q 0 5 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 3 0 3 0 0 1 4 0 4 Di s c u s s i o n o n I ns t r u m e nt a t i o n De s i g n f o r LNG S t o r a g e Ta nk Fa n Li n W u h u a n En g i n e e r i n g Co ．I t d ．，W u h a n，4 3 0 2 2 3 ，C h i n a Ab s t r a c t C o mb i n i n g wi t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l i q u i d n a t u r a l g a s L NG s t o r a g e t a n k，t h e s e l e c t i o n a n d i n s t a l l a t i o n o f LNG s t o r a g e t a n k i n s t r u me n t i s d e s c r i b e d i n g e n e r a 1 ．Th e s e t t i n g s o f t e mp e r a t u r e i n s t r u me n t a n d l e v e l i n s t r u me n t a r e e mp h a t i c a l l y e x p a t i a t e d ． Th e i n s t a l l a t i o n i n s t r u c t i o n f o r t h e r mo me t e r ，p r e s s u r e g a u g e a n d f l o w me t e r a r e i l l u s t r a t e d ． Th e p r i n c i p l e o f l e v e l i n s t r u me n t o n LNG s t o r a g e t a n k i s i n t r o d u c e d b r i e f l y ．Th e c o n t r o l s t r a t e g y a n d i n t e r l o c k s y s t e m f o r L NG s t o r a g e t a n k s a f e t y a r e d i s c u s s e d ．Th e mo n i t o r i n g o f t o t a l L NG r e s e r v e s i n t h e t a n k a n d f o r e c a s t i n g o f L NG r o l l o v e r a r e r e a l i z e d wi t h a d o p t i n g t a n k g a u g e s y s t e m TGS i n t h i s p r o j e c t ．Th e b a s i c t e c h n i c a l r e q u i r e me n t a n d c o n f i g u r a t i o n o f TGS a r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s LNG；s t o r a g e t a n k；i n s t r u me n t a t i o n d e s i g n；TGS 液化天然气 L NG 是 天然气 NG 经过净化 处理 脱水 、 脱重烃 、 脱酸性气体 ， 采用制冷工艺形 成 的液体 l_ 】 j 。L NG 以甲烷为主， 通常含有少量乙 烷 、 丙烷 、 氮等其他组分 ， 无色、 无味 、 无毒_ 2 ] ， 是优 质 的清 洁 能 源 。L NG 体 积 小， 密 度 仅 为 水 的 4 5 9 ／ 6 ， 便于远距离大规模运输 和储存 ， 可以通过槽 船、 槽车运至世界各地 的大 型 L NG接 收站 、 卫星 接收站， 运输成本约为管道运输 的 1 5 [ 3 ] 。 L NG储罐容量 大、 介质极低 温、 气化率高、 易 燃易爆 ， 在储存 中易产 生分层和翻滚问题 ， 低温工 艺流程复杂 ， 设备昂贵 。正确选择仪表 ， 应用成熟 可靠的控制系统和控制方案， 才能确保 L NG存储 装置的稳定运行和人身设备安全 。 1 项 目概况 某 L NG储存基地项 目， 毗邻城市天然气高压 外环线 。工艺 流 程如 图 1所 示 ， 主要 包 括 1座 2 l O m3 常压低温 L NG储罐和工艺 区 装卸站 、 蒸发气 B oG B o i l o f f Ga s 压缩 、 气化 、 计量外输 及配套设施 。装卸站可 同时为 4台 4 5 m3 I NG槽 车接收或充装 L NG； 气化 系统 在应 急状态或调 峰 状态启 动， 气化速率为 3 ． 5 1 0 m。 ／ h ， 外输压力 为 3 ． 5 MP a 。 2 仪表设置及选型 2 ． 1 温度测量仪表 L N G储罐采用的温度计， 按用途划分为以下几种 1 内罐外壁 、 内外罐之间环形区域 、 储罐拱顶 区域温度 ， 由单点 、 多点温度计检测， 当测点温度急 剧下降时 ， 可知储罐 L NG溢出或泄漏。 2 内罐底上表面 、 内罐 内壁温度 ， 由多点温度 计检测 ， 用于储罐接收 L NG前预冷程度监控 。 3 储罐 L N G， B OG温度 ， 由单点温度计 、 多点 平均温度计 、 I 皿 L e l T e mp e r a t u r e a n d De n s i t y 变送器检测 。 稿件收到 日期 2 0 1 2 1 2 0 3 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 3 0 2 2 O 。 作者简介范琳 1 9 8 6 ～ ， 男 ， 2 0 0 7年毕业于北 京化工大学 自动化 专业 ， 现就职于 中国五环工程有限公 司电控室 ， 从事 自控工程设计 工作 ， 任工程 师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 范琳．液化天然气储罐仪表设计探讨 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 L一 一一～ 一一 一一 一 一一一 一一 一一 一 图 l L NG储存 工艺流程 示意 储罐的温度计采用 P t l 0 0铠装热电阻 ， 接 口设 于罐顶 ， 法兰连接 ， 测量 范围一2 0 0 ～1 0 0℃， 插入 长度根据铠丝实际敷设路径选取， 最长达 6 4 m。 铠 装材质选用耐低温性能 良好 的奥 氏体不锈钢。测 量罐 内 L NG温度的 1 6点温度计设有保护管 ， 保 护管材质为 3 0 4 。 工艺区远传温度测量采用 P t l 0 0铠装热 电阻， 温度计保护管与管道焊接 ， 以减少泄漏点。就地温 度计采用压力式温度计 ， 抱箍式安装。温度计长度 应足够长， 确保温度计不被 管道绝热层掩盖 ， 并保 证接线盒工作于常温下 ， 以免结冰、 结霜或冻伤维 护人员 。 2 ． 2液位测量仪表 L NG储罐设置 3台伺服液位计 、 1台 L TD变 送器 。其 中 2台伺服液位计输出液位、 密度值信号 和报警干接点 ， 另 1台输 出液位高高报警干接点 ； L TD变送器输出液位、 温度、 密度值信号 。 伺服液位计 由伺服电机、 控制器 、 计数器 、 力传 感器、 测量磁鼓 、 钢丝和测量浮子组成， 通过检测浮 子 的位移测得液位或界面变化 ， 根据阿基米德原理 测得液体密度。主要技术要求 液位测量范围 0 ～ 2 1 0 mm， 精度等级 0 ～2 ． 0 mm； 密度测量范 围4 0 0 5 0 0 k g ／ m。 ， 精度等级 1 k g ／ ma ； 钢丝和 浮子材质为 3 0 4 。 L TD变送器由机械驱动组件 、 电子控制模块、 中空探头电缆、 探头组成。中空探头电缆内设信号 导线 ， 探头向下移动时， 探头底部的罐底参考开关 组件可 以在触碰罐底时做记 录， 然后 向上运动， 探 头顶部有两个 固体液位传感器 ， 位置一个偏上， 一 个偏下 ， 当偏上的固态液位传感器露出液面， 偏 下 的还未露出液面时 ， 传感器探测到这种差别 ， 记录 此时探头移动的距离 ， 再加上探头 自身长度， 即为 液面高度 。探头中部设有振动管式密度传感器 ， 振 动管维持在谐振状态 ， 被测 液体进入振动管， 振动 管共振频率即发生变化 ， 液 体密度增加 ， 振动管和 液体 的总质量增加 ， 振 动频率会 降低 ， 反之亦然。 经适当校准 ， 谐振频率与管内液体密度之间有确定 的关系 ， 通过测量振动管的共振频率 ， 即可求出待 测液体的密度_ 4 ] ， 探头上部设有铂热 电阻。 L T D变送器最低应满足的技术要求 液位测 量范围 5 1 0 ～2 1 0 mm， 精度等级2 ． 0 mm； 温度测量范围一2 0 0 1 0 0℃ ， 精度等级 - - 0 ． 1℃ ； 密度 测 量 范 围 4 0 0～ 5 0 0 k g ／ m。 ， 精 度 等 级 0 ． 5 k g ／ m。 ； 探头材质为 3 0 4 。 2 ． 3 流 量测量 仪表 该项 目采用孔板测量 L NG流量， 主要有 以下 优点 1 技术 成熟 可靠 ， 有可 供执 行 的标 准规 范 GB ／ T 2 6 2 4 ， I S O 5 1 6 7 。 2 L NG介质洁净 ， 无腐蚀性 ， 满足孔板应用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油化工 自动化 第 4 9 卷 要求 。 3 孔板无 可动部件 ， 无须考虑润滑 与摩擦问 题 ， 适合低温条件下使用 。 据文献 [ 5 ] 可知 ， 孔板用于 L NG计量核算也 是合适 的。该项 目 L NG 和 NG 的贸易计量 由计 量撬完 成。计 量撬 厂商 选用 超声 波流量 计测量 I ． NG流量 ， 配 流量 计算机 ； 选用涡轮流量计测量 NG流量 ， 配体积修正仪做温压补偿 。 装卸站为装车卸车两用 ， 分时段使用同一根管 道 ， 流向相反 。采用多孔孔板测量双 向流， 不用于 经济核算 。 使用节流装置测量 I NG流量 ， 选取较高压差 有利于提高测量准确度 、 缩短上游侧必要的直管段 长度[ 6 ， 但当压力降到饱和蒸气压 以下时， L NG会 发生闪蒸l_ 2 ， 因而应在避免闪蒸发生的前提下选取 差压 。此外 ， 当管道中插入物体等阻流件时 ， 也会 导致压力降低 ， 可能出现 闪蒸 ， 因而多余 的插人物 体和阻流件也应避开流量计 上游侧| 5 ] ， 例 如温度 计 。并且还应考虑操作温度下孔板尺寸的变化对 孑 L 板参数的影响。 2 ． 4 压 力 差压 测量 仪表 L NG储罐拱顶区域设表压变送器 3台， 冗余 配置 。内罐 吊顶下方区域设绝压变送器、 表压变送 器各 1台。大气压力 降低时， 储罐 内 L NG蒸发会 加大 ， 导致储罐压力升 高， 因而监测储罐 内的绝压 是必 须 的 。 I ． N G受热气化 ， 体积 膨胀约 6 0 0倍 ， 对 压力 差压 测量有 很大干扰， 因而管道需要 充分的保 冷 ， 导压管 内气液分层 面应远离取压 口， 导压管应 足够长 ， 确保变送器工作于常温下 ， 导压管须设有 消除冷缩应力的弯折。 2 ． 5 调节阀和切断阀 I NG在无孔容器中可能随着温度 的提高使压 力增大 ， 甚至容器遭 到破坏[ 2 ] ， 因而对可能形成 密 闭阀腔 的 L NG 阀门应采取泄压措施防止阀腔异 常升压 。L NG低温阀门设长颈阀盖保证填料 函底 部温度在 0以上I 7 ] ， I G阀门应做防静 电设计。 调节阀采用单座柱塞阀， 柔性石墨填料， 金属 密封 ， 泄漏 等级 I V级 ； 阀体材 质 A3 5 1 C F 8 ， 采用 对焊方式以减少泄漏点 ； 阀内件材质为 3 0 4 L。 切断阀采用全通径固定球 阀， 柔性石墨填料 ， 阀体密封采用 P TF E软密封面加金 属阀座支承 ， 避免 软密封 阀座产 生冷流变形[ 7 ] ， 泄漏等级 V级 双向 ； 阀体材质为 A3 5 1 C F 8 ， 对焊 连接方式 ； 阀 内件材质为 3 0 4 L 。所有切断阀遵守 AP I 6 0 7防火 规范 ， 设阀位开关 ， 部分重要管线设双电磁阀。 3 控制和安全仪表 系统 该项 目设 D C S监控装置运行， 安全仪表 系统 S I S实 现 安 全 联 锁 ， 罐 表 系 统 T GS F a n k Ga u g i n g S y s t e m 负责监测储罐状态。 3 ． 1 储罐压力的监控和联锁 L NG储罐操作压力 5 ～2 0 k P a G ， 设计 压力 一 1 _ 5 ～ 2 5 ． 0 k P a G 。 影响 L NG储罐内压力上升的因素包括_ 8 ] 接 受 L NG进入储 罐； 大气压下 降； 从 环境 吸入热 量 导致 I N G蒸发 。 影响 L NG 储罐 内压 力 下 降的 因素 包 括l 8 j I ． N G泵对外输送 ； 无 L NG进料时 B G压缩机空 吸 ； 大气压上升 。 正常操作条件下， 通过 B G压缩机压缩蒸发 气控制储罐的压力 。压力达到 1 9 k P a G ， 放空阀 P V0 1开启调节， 超压气体排人放 空系统送火 炬。 压力达到 2 1 k P a G ， 做“ 2 0 0 3 ” 表决 ， 切断储罐入 口 L NG切断阀 X V0 1 。当储罐压力升高达到储罐 设计压 力 ， 储 罐安 全 阀打开， 超 压气体 直接排 人 大气 。 压力低于5 k P a G ， 做“ 2 0 0 3 ” 表决 ， 全关 I ． N G 外输控制阀 F V 0 1 ， 停 L N G罐内泵和 B O G压缩机。 压力低于 3 k P a G ， 补压阀 P V0 2开启调节， 通过补 充外输天然气总管上经膨胀后的气体维持储罐压 力。压力降低到储罐设计值 ， 储罐真空阀打开。 3 ． 2 L N G罐内泵出口流量控制 L NG罐内泵为 L NG外输和回流提供动力 ， 工 作温度低于 一1 6 2℃ ， 是储罐上最重要 的动设 备 。 L NG罐 内泵 出 口流量应不小 于 2 9 m。 ／ h ， 通过分 程调节和联锁来保证 。 外输 L NG流量大于 3 5 m。 ／ h时 ， 回流控制 阀 F VO 2关闭， 外输控制阀 F V0 1开启调节 ； F V0 1开 到最大 ， 若 流量 还小 于 3 5 m。 ／ h ， 则 回流控 制 阀 F V0 2 开启调节， 保证泵 出 口流量满足要求 。出 口 流量达 2 9 m。 ／ h时 ， 联锁停泵 ， 保证罐内泵的安全 。 3 ． 3 储罐液位的监控和联锁 I NG液位是储罐最重要的参数之一 ， T GS监 控 L NG液位 ， 并通信至 D C S 。3台伺服液位计 高 高高报警干接点， 做“ 2 0 0 3 ” 表决 ， 联锁切断储罐 入 口L NG切断阀 XV0 1 。2台伺 服液位计低低低 报 警干接点信号 ， 联锁停 罐 内泵 ， 关闭 L NG外输调 节阀 F V0 1 。 3 ． 4 储罐 L N G分层和翻滚监控 翻滚是指两 层不同密度 的 I NG在储罐 内迅 速上下翻动混合 ， 瞬间产生大量气化气的现象l_ 2 ] ， 翻滚使容器受到超压 ， 易导致严重事故 。有研究指 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 范琳．液化天然气储罐仪表设计探讨 1 7 出 L NG分层是产生翻滚的根本原 因l_ 1 。L N G分 层 的原因l 1 老化的 L NG密度随着 甲烷 的蒸发 而增大； 向已有的 L NG储罐 中充注密度不同的新 L NG液体 ； 受到外部热源的侵扰产生热分层。 通过良好的储罐管理 ， 翻滚可 以防止 ， 措施包 括加强液体循 环 以促进混合 ； 尽可能将不 同来 源、 不同组分 的 L NG分罐储存； 保 持 L NG含氮量 低于 1 ， 并密切监测气化速率l 2 ] 。实际操作 中应 密切监测储罐不 同液位下 L NG的密度及温度 的 变化 L NG密度是其 温度 的函数 ， 适时使用罐内 泵对 L NG打 回流， 使分层 的 L N G 混合均匀 。该 项 目采用 TG S监测 L NG储罐 的液位、 温度 和密 度分布 ， 计算 L NG的体积 、 质量， 监测分层并预测 翻滚。 TG S主要 由伺 服液位计 、 L TD、 多点温度计 、 操作站 、 配置有数据处理软件和数据通信模块 的系 统柜等设备共 同组成。 TG S应满足的主要技术要求 1 设置和修正现场仪表， 如设置 L T D 自动或 手动模式 ， 修正液位计 、 密度计 的误差。 2 接收现场仪 表 伺服液位计 、 L T D、 多点 温 度计 数据并显示 ， 包括 L NG液位 、 密度、 温度 实 时值， 每台仪表的状态信息。 3 根据单位高度储量表和 L NG液位值计算 L NG体积 。 4 根据 L N G体积和实时平均密度计算 L N G 质量， 可以手动输入密度值。 5 根据 L NG 密度、 温 度分布实 时数据预 测 翻滚。 6 具有完善 的 自诊断功能 ， 能发 出并记录故 障报警 。 4 结束语 L NG储存项 E l 中仪表的选型和安装紧密围绕 L NG的理化性质展开 ， 仪表 和控制系统的配置充 分考虑 了 L NG储罐液位落差大 、 易超压、 易分层 和翻滚 的危 险 因素 。在 开展 设 计 工作 前 ， 应对 L NG及 L NG储罐 的特点做深入了解。通过探讨 和总结 L NG储存项 目的仪表设计 ， 对存储基地 的 安全稳定运行十分必要 ， 对 同类 L NG项 目仪表设 计具有重要参考意义。 参考文献 [ 1 ] 陈雪， 马国光， 付志林， 等． 我国L N G接收终端的现状及发 展新 动向[ J ] ． 煤气与热力 ， 2 0 0 7 ， 2 7 0 8 6 3 6 6 ． [2] 国家质量监督检验检疫总局． GB ／ T 1 9 2 0 4 --2 0 0 3液 化天然 气 的一般特性 [ S ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 0 3 ． [3] 徐烈 ， 李 兆慈 ， 张洁 ， 等． 我 国液化天然气 L NG 的陆地 储存 与运 输| J ] ． 天然气 工业 ， 2 0 0 2 ， 2 2 0 3 8 9 9 1 ． [4] 赵 知礼， 刘慧颖． 便携式振动管液 体密度计的研究 [ J ] ． 石油 仪 器 ， 2 0 0 1 ， 1 5 O 4 1 6 1 9 ． [5] 石 油化工部第六 设计 院． 低温 流量测量 [ J ] ． 石 油化工 自动 化 ， 1 9 7 5 ， 1 1 O 4 7 2 7 9 ． [6] 陆德 民， 张振基 ， 黄步余． 石油化工 自动控制设计 手册 [ M] ． 3 版． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 0 ． [7] 国家质量监督检验检疫总局． GB ／ T 2 4 9 2 5 2 0 1 0低 温阀门 技术 条件 [ s ] ． 北 京 中国标准出版社， 2 0 1 0 ． [8] 刘浩 ， 周永春． L NG低温储罐 压力安全 系统设计 L J ] ． 化 工设 计 ， 2 0 0 7 ， 1 7 O 1 7 1 O ． [9] 蔡建 国， 杨万枫 ， 阚安康． 液化天 然气 的翻滚现 象及 防止措 施 [ J ] ． 航海技术 ， 2 0 0 7 增 刊 1 2 0 2 1 ． [ 1 O ] 程旭东 ， 徐剑 ， 乔 国发． 大 型液化 天然气储 罐 内液体 内分层 和翻 滚 影 响 因 素 分 析 [ J ] ．化 工 学 报 ， 2 0 0 9 ， 6 O 1 2 2 9 9 0 2 9 9 6 ． [ 1 1 ] 王晶晶 ， 马晓茜 ． L NG储罐分层后主流区内的混沌现象口] ． 水动力学研究 与进展 A辑 ， 2 0 0 7 ， 2 2 O 1 3 1 3 5 ． 自控 中心站成功举办技术委员 换 届 会 议 暨 2 0 1 3年 会 自控 中心站于 2 0 1 3年 5月 2 0 2 3日在福州成功组织举办 了全 国化工 自控设计技术 中心站和 中国石化集 团公 司 自控 设计技术中心站技术委员换届会议暨自控中心站 2 0 1 3年会， 来 自福建省信息产业局、 中国石油和化工勘察设计协会、 中国 石化股份有 限公 司生产部 、 中国石化股份有 限公司工程 部 的领 导 以及全 国化 工、 石 化 、 石 油 、 纺织 和建筑 等行业 及部 分高 校、 企业的 1 3 0 余位代表参加了会议。 福建省信息产业局的领导参加会议并致辞祝贺， 中国石油和化工勘察设计协会和中国石化股份有限公司工程部的 领导 ， 对上一届技术委员会的工作给予了充分肯定， 对新一届技术委员会今后的工作提出了要求 。技术委员会代表讨论 并通过了下一届 自控中心站技术委员会工作计划 ， 大会还进行了新版设计规范的介绍以及自动化仪表新产品、 新技术的 交流 。 本次换 届会议 的成功召开 ， 将促进技术委员会更好地为 工程建设 服务 ， 更好 地发挥研 究 、 创 新 、 交 流平 台的重要作 用 ， 从而推动自动化技术的创新发展。 自控中心站 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m